摘要：基于漏磁檢測技術基本原理，采用有限元方法，應用COMSOL軟件對管道環焊縫及焊縫處常見缺陷磁化后產生的漏磁場進行了仿真模擬，得到描述磁場分布特征的磁通密度徑向和軸向分量分布曲線。通過改變焊縫余高以及焊縫處凹坑、錯邊和咬邊的幾何參數，得到了不同缺陷類型在不同尺寸下的磁場分布。結果表明：管道環焊縫磁場分布呈增厚特征，且隨著焊縫余高的增加，磁通密度徑向和軸向分量值均明顯增大;焊縫與其中心缺陷呈兩者復合的磁場分布特征。焊縫中心凹坑磁場分布呈減薄特征，且磁通密度軸向和徑向分量峰的峰寬均隨凹坑直徑的增加近線性增大;隨著錯邊量的增加，缺陷處磁通密度分布曲線的峰值均明顯增大;隨著咬邊深度的增加，咬邊位置的磁通密度減小。
關鍵詞：管道環焊縫;徑向勵磁;焊縫缺陷;磁通密度;有限元模擬
0 前言
焊接過程受焊道設計、工藝、材料、環境等多方面因素的影響，不可避免地會出現各種缺陷。這些缺陷的存在可能會造成管道開裂、油氣泄露甚至爆炸等嚴重事故[1]。為了保證管道安全運輸，需要定期對其進行無損檢測和安全評估。目前常用的無損檢測方法有渦流檢測、射線照相檢測、超聲檢測、磁粉檢測和漏磁檢測法等。其中漏磁檢測技術具有檢測靈敏度高、不需要耦合劑、受外界干擾小、檢測速度快且易實現自動化，更適于大面積、長距離管道的快速檢測，是目前國內外應用最為普遍的管道內檢測技術[2-5]。
文中基于漏磁檢測原理，應用COMSOL軟件，采用徑向勵磁方法對管道環焊縫及焊縫處常見缺陷進行三維仿真，得到了不同焊縫缺陷的磁通密度徑向和軸向分量的分布規律，為管道焊縫缺陷漏磁信號特征識別提供理論依據，同時對徑向勵磁在鐵磁性材料漏磁檢測中的可行性和適用性進行了理論探討。
1 漏磁檢測技術的基本原理
傳統的管道漏磁檢測以軸向勵磁檢測為主。由于鐵磁性材料磁導率高，當管道被磁化時，磁感線會被約束在管道內部，且幾乎沒有磁力線從表面穿出，被檢測工件表面幾乎沒有漏磁場。若管道存在裂紋、凹坑等切割磁力線的缺陷，由于缺陷處磁阻遠大于管材，就會有部分磁感線從管壁漏出，從而形成漏磁場。利用管道上方的磁敏傳感器可以檢測到相關信號變化，從而判斷缺陷的存在和相關特征[6-10]。
為了使檢測器檢測效果達到最佳狀態，傳統漏磁檢測技術需要將管道等鐵磁性材料磁化至飽和或近飽和，這可能會帶來很多問題。首先，將管道磁化到飽和后退去磁場會有很大的剩磁，會對二次檢測造成嚴重干擾;其次，軸向勵磁很多時候采用線圈磁化，要形成強磁場則需要很大的安匝數，從而使得電流的熱效應不可忽視，長時間工作可能會對檢測裝置的壽命產生一定影響[11-12]。
徑向勵磁和軸向勵磁類似，其基本原理如圖1所示，通過在檢測器探頭內部集成一塊永磁鐵，檢測器在管道內運行過程中管道內表面被永磁鐵磁化。徑向勵磁不同于軸向勵磁之處在于：徑向磁感線垂直于管道軸向方向并穿過表面回到磁鐵。對于正常的無缺陷管道，其內表面是光滑的平面，在探頭磁鐵和管道內表面之間會形成相對穩定的磁場;而當管道存在缺陷時，原有磁場的分布狀態會被改變，通過在磁鐵和管壁間安裝霍爾元件可采集探頭位置管道內表面的磁場信號，通過進一步比較分析磁場分布特征可判斷缺陷的存在及特征，既可達到檢測的目的，又不需要采用強磁場對管道進行磁化[13]。
為了驗證上述方法的可行性和有效性，下面采用有限元模擬方法對上述徑向勵磁過程進行仿真分析。上述過程的有限元模型如圖2所示(考慮僅為驗證該方法的可行性，這里采用平板代替管道進行幾何模型的簡化分析)，無缺陷和有缺陷時有限元計算得到的磁力線分布如圖3所示，相應的磁通密度分布曲線如圖4所示。設模型中管子徑向(即壁厚方向)為坐標軸x方向，軸向(管道長度方向)為y方向，即Bx為磁通密度徑向分量，By為磁通密度軸向分量。
由圖3可知，無缺陷時，管體經過勵磁后，由于其磁導率遠大于空氣，因此絕大部分磁通從管體內通過構成回路。在距平板上表面1 mm處沿平板長度方向提取磁場分布，結果顯示其徑向分量Bx為一恒定值(見圖4a，磁力線均勻通過管體形成穩定磁場)，軸向分量By為一條近乎為零的水平線(見圖4b);而有缺陷時，缺陷邊緣處磁力線發生明顯畸變(見圖3)，并且在相同提離值位置可以看到不同的磁場信號，有缺陷時磁通密度徑向分量Bx呈一典型的凸峰，軸向分量By則沿缺陷中心呈一負一正的兩個對稱峰。可見，采用徑向勵磁方法模擬有缺陷的漏磁通是可行且有效的。
2 環焊縫及其中心缺陷有限元模型
2.1 三維幾何模型
焊縫及其中心凹坑、錯邊和咬邊缺陷的三維幾何模型如圖5所示，為便于比較分析，采用尺寸為150 mm×50 mm×9 mm的平板代替管道進行有限元建模與計算分析;永磁體尺寸40 mm×30 mm×5 mm，永磁體與板面距離為5 mm。同時，模型中考慮了焊縫表面余高的影響。
2.2 材料屬性
由漏磁檢測原理可知，模型中的關鍵部件有管道、永磁體和空氣罩，模型中需分別對這些部件的材料屬性進行定義。文中以Q235管材為研究對象，已知空氣的相對磁導率大小為1.0，磁鐵采用永磁體，相對磁導率為1.045、矯頑力為960 000 A·m-1。
2.3 網格劃分
在有限元模擬計算中，網格數量的多少將影響計算結果的精度和計算規模的大小。一般來講，網格數量增加，計算精度會有所提高，但同時也會增加計算量喝計算時間。有限元網格模型如圖6所示，焊縫處采用均勻致密的網格以提高計算精度，遠離焊縫中心部分則采用較疏的六面體掃掠網格來縮短計算時間。
推薦閱讀：焊接方向有哪些SCI
